基于Supply-hub的多供应商横向协同补货决策模型

陈建华，何真云，吴 姝

(1.武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学 港口物流技术与装备教育部工程研究中心，湖北 武汉 430063)

在汽车、家电、电子产品等加工装配式供应链中，由于零部件种类繁多、供应商数量庞大，再加上供应或需求变化等因素引起的生产计划调整，往往导致零部件供应物流协同运作难度大、成本高。Supply-hub(集配中心)模式的应用在很大程度上优化了供应物流系统运作流程，提高了供应链协同运作水平。BARNES等[1]首次提出了Supply-hub的概念并分析了其在降低成本、提高响应性等方面的优越性。王彧等[2]进一步提出了集配商和集配中心的概念及其理论模型。陈建华等[3]创新性地提出了供应驱动的概念、内涵，以及包含供应链上下游纵向协同和供应环节多供应商之间横向协同的二维协同模型，分析了基于Supply-hub的3种典型供应驱动链协同模式。CHEONG等[4]研究指出通过3PL协调和整合多供应商与多制造商之间的生产与配送流程可以达到最优的物流绩效。张令荣等[5]等针对“三供应商-单制造商”组成的两级供应链在需求不确定情况下的协同补货问题，提出3种补货策略并对比分析不同策略下供应链成本变化情况，研究表明当满足一定条件时，不考虑批量与时间协同的补货策略下的供应链成本总是低于供应商独立补货策略下的成本。关旭等[6]基于仿真模型采取面向过程的方法，发现Supply-hub模式在响应性方面具有优势，VMI模式在效率性方面具有优势。马士华等[7]通过模型证明了Supply-hub的协同功能能够降低各供应商成本、制造商总成本和供应链总成本，同时指出需求不确定性越高，Supply-hub模式的优势越明显。李毅鹏等[8]考虑了由多供应商、单制造商组成的按订单装配的供应链，指出供应商之间的横向协同能够降低制造商的期望总库存成本。BLUMENFELD等[9]研究了单供应商、多客户的生产与配送协同问题，发现生产与配送协同能够降低供应链总成本。PUNDOOR等[10]建立了需求确定下多供应商、一个仓库和一个客户的生产与配送协同模型，发现基于仓库的组织协调作用能够有效降低供应链总成本。MIRZAPOUR AL-E-HASHEM等[11]研究了多供应商、多制造商的供应链网络，建立了需求不确定下多目标混合整数规划模型，对生产与配送过程进行了分析优化。KHOUJA[12]研究了单供应商、多制造商、多客户的生产与配送周期协同问题，比较了共同周期、倍数周期和指数周期3种协同策略，结果表明指数周期策略下的供应链总成本最小，同时也指出模型中单供应商情况下的限制与不足。WEE等[13]在供应链整合方面进行了大量实证研究，在Goyal模型的基础上，提出了一种启发式算法来求解单制造商、多分销商、多客户的生产与配送周期协同问题，得到了最优的生产与配送周期。

上述研究尽管在研究对象上涉及多供应商体系，但仍侧重于供应链上下游之间的纵向协同问题，有关多供应商横向协同问题的研究也主要是考虑两级供应链系统，且很少关注协同水平对供应链绩效的影响。因此，笔者将考虑三级供应链，从多供应商横向协同角度，研究需求不确定条件下基于Supply-hub的多供应商横向协同补货决策，并分析协同补货水平即服务水平对结果的影响。

1 问题描述

多供应商、Supply-hub和单制造商构成的三级供应链如图1所示，可以看出供应商以批量生产、分批配送补货方式满足制造商需求；Supply-hub为了确保零部件的准时配送，采用(Q,R)的库存策略，并负责对各供应商零部件进行配套后直送制造商生产工位。当某种零部件缺货时，会导致其他配套零部件供应商额外增加零部件滞存成本，制造商增加产品缺货成本。在此情形下，由于各供应商个体的差异性和独立运作往往会导致供应链整体高成本，Supply-hub作为供应链的协调中心，需要考虑协调供应环节各供应商的配送批量和补货点，并通过总体服务水平或多供应商协同补货水平的集中调控来优化供应链整体运作成本。

图1 多供应商-Supply-hub-单制造商三级供应链

2 基本假设与符号定义

2.1 基本假设

(1)制造商生产单一品种，产品结构中各零部件数量构成比例均为1∶1，零部件为单源供应；

(2)最终产品的需求分布随机，但年需求量D为固定常量；

(4)Supply-hub对制造商的补货瞬时到货；

(5)最终产品P的缺货损失即惩罚成本由制造商承担；

(6)各供应商补货服务水平相同，而且均高于95%。

2.2 符号定义

3 数学模型

在需求不确定条件下，供应链整体运作成本构成要素主要包括：各供应商库存持有成本、各供应商补货成本、Supply-hub库存持有成本、零部件滞存成本、产品缺货损失成本。计划周期内(年)供应链整体期望运作成本E(TC)为：

(1)

式中：第一项为多供应商库存持有成本；第二项为多供应商补货成本；第三项为Supply-hub库存持有成本；第四项为Supply-hub中零部件滞存成本；第五项为制造商产品缺货惩罚成本。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4 算例分析

某设备制造商装配一种设备，设备主要由4种核心零部件均按1:1比例装配而成，零部件分别由4个不同供应商供应。经预测,计划年度设备需求量为5 400台(一年按360天计算)。各供应商生产批量与配送补货批量的比值k=2，各零部件单位时间内的需求服从正态分布，设备的单位缺货损失成本Π=300，各供应商补货服务水平均为98%，其他参数设置如表1所示。

表1 参数设置

基于上述数学模型，求得的计算结果如表2所示。

表2 计算结果

4.1 供应商服务水平对供应链整体运作成本的影响

图2 供应商服务水平对供应链运作成本的影响

设定供应商服务水平为95%～100%，计算可得供应链整体运作成本的变化趋势，如图2所示。当供应商服务水平即协同补货水平从98.0%提升到99.5%以上时，供应链整体运作成本并不一定增加，而是有进一步的下降空间且能够实现成本最小化。这是因为供应商库存持有成本与Supply-hub的库存持有成本虽然都在增加，但是增加幅度要小于供应商补货成本、零部件滞存成本及产品缺货惩罚成本的降低幅度。随着服务水平的进一步提升，各供应商和Supply-hub的库存持有成本将大幅增加，供应链整体运作成本也将快速增高。据此，各供应商可以选择最佳的配送补货服务水平。

4.2 需求不确定性对供应链整体运作成本的影响

图3 需求不确定性对供应链运作成本的影响

5 结论

考虑由多供应商、Supply-hub和单制造商构成的三级供应链，针对多供应商横向协同补货决策问题，构建了需求不确定情况下基于Supply-hub的供应链运作成本模型，求解得到了多供应商协同补货最优配送批量、补货点及供应链整体运作成本的解析解。结合算例分析了服务水平和需求不确定性对供应链运作成本的影响，得到如下结论：①Supply-hub在(Q,R)库存策略下通过对多供应商的集成和协调，存在使得供应链整体运作成本最低的多供应商协同补货最优配送批量和补货点。②在系统考虑供应商补货成本、零部件滞存成本及产品缺货惩罚成本等因素条件下，即使多供应商提高协同补货服务水平，供应链整体运作成本并不一定会增加，而是有进一步的下降空间，这可以理解为协同的成本效应。从这一角度来看，多供应商可以据此选择最佳的配送补货服务水平。③需求不确定性的增加会直接导致缺货概率增大，供应链各环节往往会通过增加库存应对缺货风险，从而导致供应链整体运作成本增加。但是通过Supply-hub的集成协调，能够在一定程度上弱化供应链长鞭效应的影响。